發(fā)布時間：2020-08-21 12:38

【摘要】：近年來,隨著網(wǎng)絡技術的發(fā)展與學生認知水平的提高,傳統(tǒng)計算機硬件課程的實驗方式已無法滿足學生的需要。各大高校也在推動改革傳統(tǒng)計算機硬件課程的實驗方式,其中遠程虛擬實驗和遠程虛擬仿真實驗的實驗方式深受廣大高校的青睞。在此期間,教育部也發(fā)布建設國家級虛擬仿真實驗教學中心的通知,全面推動遠程虛擬教學實驗室的建設。由此可見,計算機硬件類課程的實驗改革是未來教育的一個重要組成部分。目前,國內的計算機硬件類遠程虛擬實驗主要集中在兩個方面:一是遠程虛擬仿真,整個實驗環(huán)境全部通過軟件模擬;二是采用客戶端加FPGA開發(fā)板的方式,提供遠程虛擬實驗服務。前者實驗數(shù)據(jù)全部理論化,缺少真實感;后者開發(fā)板價格高昂且通用型不強,前期建設與后期維護成本花費量較大。因此,本文結合計算機網(wǎng)絡、遠程控制、數(shù)據(jù)流交互及設備監(jiān)控等技術,提出了面向計算機硬件的遠程虛擬實驗服務,該服務結合SpringBoot和遠程FPGA實驗板,可為計算機組成原理、數(shù)字邏輯等計算機硬件課程提供遠程虛擬實驗服務。本文針對面向計算機硬件的遠程虛擬實驗服務,主要完成了以下工作:第一,從功能和性能兩方面對服務的整體需求進行了分析,結合國內外遠程虛擬實驗服務的分析與研究,提出了本服務的總體架構以及服務器和遠程FPGA實驗板的軟件服務架構。服務整體上采用B/S/C(Browser-Server-Control)架構,并且為了實驗服務的通用性、穩(wěn)定性及可維護性,研究與設計了瀏覽器與服務器、服務器與實驗板之間的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議。第二,完成了服務器遠程虛擬實驗服務的研究與設計,分為數(shù)據(jù)庫、實驗服務和實驗管理服務三方面。數(shù)據(jù)庫方面,采用“Redis+MySQL”的方式進行數(shù)據(jù)一致性讀寫,整體上提高服務讀寫性能;實驗服務方面,使用“異步處理+有限狀態(tài)機+任務池”的方式設計實驗電路文件的配置服務、以“虛擬實驗板+同步處理”的方式設計實驗數(shù)據(jù)交互服務以及結合多因素實現(xiàn)實驗板的動態(tài)分配服務;實驗管理服務方面,設計實驗信息記錄服務和實驗資源管理服務。第三,介紹了滿足本服務需求的遠程FPGA實驗板,包括STM32控制電路、FPGA實驗控制電路和以太網(wǎng)電路的設計與實現(xiàn);設計了嵌入式系統(tǒng)軟件,包括結合網(wǎng)絡傳輸與通信協(xié)議的特點,以“零拷貝”的方式設計與實現(xiàn)FPGA配置、FPGA數(shù)據(jù)交互等實驗服務。最后,對整個服務及相關子服務部分進行了測試、驗證及試用,整體測試結果良好,驗證了服務設計的正確性。
【學位授予單位】：江蘇大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：G642;TP303-4
【圖文】：

日本法政大學［１３＿１７］開發(fā)了基于ＦＰＧＡ的硬件邏輯網(wǎng)絡實驗室，學生可以通過逡逑遠程登錄或Ｗｅｂ的方式遠程進行硬件邏輯實驗。此實驗室結合現(xiàn)有的實際硬件實逡逑驗室和遠程實驗室，以Ｗｅｂ服務的形式實現(xiàn)了全新的ＣＡＤ設計服務和ＦＰＧＡ運行逡逑服務，即使用ＶｅｒｉｌｏｇＨＤＬ進行硬件電路設計，經(jīng)Ｗｅｂ服務編譯處理后通過ＦＰＧＡ逡逑運行。同時該實驗平臺每塊硬件還配置了一臺邏輯分析儀器，用于實現(xiàn)硬件運行逡逑狀態(tài)的監(jiān)控和實驗數(shù)據(jù)的采集。該團隊仍然致力于建設基于ＦＰＧＡ的遠程實驗室，逡逑目前已升級為基于混合云的半自動遠程實驗系統(tǒng)，用戶只需提供Ｖｅｒｉｌｏｇ邋ＨＤＬ描逡逑述文件和一些參數(shù)便可進行實驗［１８］。逡逑法國國立高等電子與計算機科學工程學校電氣工程學院［１９］開發(fā)了名為逡逑ＭＥＤＩＣＩＳ的遠程硬件實驗室，學生通過客戶端調用服務器提供的服務遠程進行逡逑ＦＰＧＡ電路編程與測試。此實驗總體架構基于Ｃ／Ｓ模式，實驗硬件采用ＸｉｌｉｎｘＦＰＧＡ逡逑４００６Ｅ，服務器通過ＲＳ．２３２與ＨＰ１６５００Ａ邏輯分析儀器相連，從而獲取硬件的實驗逡逑。逡逑

ＭＩＳ逡逑圖３．３遠程虛擬實驗服務：總體架構圖逡逑相比于圖３．３，與之相對應的是遠程虛擬實驗服務軟件總體架構，如圖３．４所逡逑示。遠程虛擬實驗服務的軟件結構分為展示層、服務層及硬件層，每層的具體具逡逑體描述如下：逡逑１．

板發(fā)送３６８Ｋ的數(shù)據(jù)內容。為了使得配置服務能夠快速、穩(wěn)定的對實驗板進行配逡逑置，在此使用“異步任務＋有限狀態(tài)機”的方式對實驗板進行配置，配置過程中的逡逑狀態(tài)及狀態(tài)遷移如圖４．４所錄。逡逑接收任務邐ｗｒｉｔｅ邋ｒｅａｄ邋，邋１＇＇ｓｎｎ＾發(fā)送任務逡逑／邐ｓｕｃｃｅｓｓ邋ｆａｉｌｅｄ邐，邐（邐＼邐ｓｅｎｄ逡逑Ｉ邐N邐Ｃｌ邋、ｄ0ｗｎｌｏａｄ邋Ｊ邐邐邐＾逡逑（邐＼邋ｓｔａｒｔ＾ｆａｉｌｅ４邋ｆ邐邐＾邐（邐＼逡逑（邋ＤＯＴ邋Ｖ邐ＤＯＷＮＬＯＡＤ邋丨）邐彮邐（邋ＳＥＮＤ邋丨逡逑ｖＶ邐＼邐ＶＴｙ逡逑ｓｕｃｃｅｓｓ邐｜一＾邋Ｍ邋？ＩＳＨ邋Ｊ逡逑ｆｉｎｉｓｈ邐Ｉ邐Ｎ，邋ｐｒｅｐａｒｅ＾／，逡逑遠程ＦＰＧＡ實獫板逡逑圖４．４實驗電路文件配置服務狀態(tài)機及狀態(tài)遷移圖逡逑如圖４．４所示，實驗電路文件的每一次配置都會開啟接收和發(fā)送兩個任務。兩逡逑個任務擁有各自的狀態(tài)機，通過緩存來進行狀態(tài)同步與控制。接收和發(fā)送任務開逡逑啟之初都處于“ＩＮＩＴ”狀態(tài)，然后會發(fā)送開始指令，使接收與發(fā)送任務進入逡逑“ＣＯＮＦＩＧ”態(tài)；接下來發(fā)送任務會進入“ＳＥＮＤ”狀態(tài)向實驗板發(fā)送配置指令，使得逡逑ＦＰＧＡ完成復位。發(fā)送任務在發(fā)送完成后會進行“ＰＲＥＰＡＲＥ”狀態(tài)

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本文編號：2799390